PVT法生长SiC单晶中V掺杂行为研究

摘要

半绝缘碳化硅单晶(SI-SiC)是非常有吸引力的微波大功率电子器件衬底材料。大部分SI-SiC材料由物理气相传输(PVT)工艺生长，该工艺包括碳化硅粉的升华，升华产物的输运和结晶三个过程。有两种SI-SiC材料，其一为高纯SI-SiC，称为HPSI-SiC，其二为掺钒SI-SiC。本文研究内容限于PVT生长掺钒SI-SiC的理论和技术问题。
　　 通常情况下，如果不故意掺杂和采取其它工艺措施，PVT法生长的SiC是n型，这是由于吸附空气中的氮可形成非故意掺杂。掺钒SI-SiC由钒的深受主补偿氮的浅施主能级。本文从理论上讨论了一个浅施主和多个深受主的补偿模型。并进一步综述了SiC中的杂质和本征缺陷能级。这对于半绝缘SiC材料设计将非常有帮助。
　　 多个热力学参数影响晶体生长速率，它们是系统温度、升华区与结晶区温度差、氩气压力和源粉到籽晶距离。这些参数同时影响钒的升华、输运行为。但影响程度不同，例如，温度升高，晶体中钒的掺入浓度可能增加，也可能减少；升华区与结晶区温度差提高，或氩气压力减少，晶体中钒的掺入浓度减少可能性大；源粉到籽晶距离减小，晶体中钒的掺入浓度减少。经过这些理论分析与试验，我们实现了V浓度相对可控，并成功研制出掺钒2英寸半绝缘4H和6H-SiC，且在所研制的半绝缘4H-SiC衬底上制备出MESFET器件。
　　 本文也研究了结晶区单晶生长前沿温度和结构对钒掺入的影响，试验结果表明：结晶区温度低时，钒掺入量明显变小，过剩的钒以析出相的形式生长于晶体表面。这种析出相的尺寸和形状与PVT法碳化硅单晶生长的step-flow模型相关。本文还试图探索钒掺入的竞位规律，试验结果表明：钒的掺入存在竞位效应，但远没有氮强烈，并对此给予了简单解释。

目录

文摘

英文文摘

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第一章引言

第二章半绝缘碳化硅材料补偿模型

2.1半导体材料的导电理论

2.2 4H-SiC的本征载流子浓度

2.3浅施主掺杂4H-SiC的载流子浓度

2.4 4H-SiC中的杂质及能级

2.4.1 4H-SiC中的杂质硼及能级

2.4.2 4H-SiC中的杂质钒及能级

2.5 4H-SiC中的本征缺陷深能级

2.6深受主钒补偿浅施主氮4H-SiC的载流子浓度

2.7本章小结

第三章钒在PVT法生长SiC单晶中竞位规律

3.1试验的设计

3.2样品的制备

3.3晶片的Roman散射测量

3.4电阻率的测量

3.5晶向对钒掺入的影响

3.6结果与讨论

3.7本章小结

第四章影响PVT法生长SiC单晶中钒掺入的因素

4.1影响PVT法碳化硅单晶生长速率的因素

4.1.1 PVT法碳化硅单晶生长室内主要组分

4.1.2 PVT法碳化硅单晶生长一维模型

4.1.3 PVT法碳化硅单晶生长室内组分的输运

4.1.4影响PVT法碳化硅单晶生长速率的因素

4.2影响PVT法碳化硅单晶钒掺入的因素

4.3结晶区温度对钒掺入的影响

4.3.1样品的制备

4.3.2新鲜表面钒深度分布的SIMS分析

4.3.3新鲜表面的OM分析

4.3.4析出组织的进一步探究

4.3.5结晶动力学对析出组织的影响

4.4本章小结

第五章半绝缘碳化硅材料在MESFET器件中应用

第六章结论

参考文献

在读期间发表论文

致谢